房子mm和地震君的愛情故事——寫給大家的抗震技術

一般來說，房子同地震天長地久大致有以下幾個辦法：

1.抗震

顧名思義，就是扛過去，設計師在設計時允許房子的結構構件發生一定的塑性變形，利用塑性變形來消耗地震的能量。

圖2：抗震房子

當然，對於小型地震，房子的塑性變形是用不上的，只要震後對些非結構構件修修補補，它就又可以同我們愉快的玩耍了，但對於大型地震，為了讓我們能夠繼續愉快的玩耍下去，它只能捨生取義了。那為什麼不把房子的接待能力做的足夠大呢，主要是地震這位親具有太大的隨機性和不確定性，不僅來的時間不確定，連來串門的人數都是不確定的。

2.減震

減震則是在傳統抗震的基礎上增加適當的耗能系統，少量布置的阻尼器耗散了大量的地震能量，使得傳統結構的負擔大大減小，從而降低了房子的損傷程度。

圖3：減震房子

這就相當於傳統意義上的房子僱傭了一位專業服務生，當地震君們登門的時候，主人多了一個接待的幫手，自然壓力也就大大減輕了。

3.隔震

隔震其實在一定程度上也是一種減震方式，其利用水平方向具有自複位能力的柔性連接將上面的房子與地基基礎或下面的房子隔離開來，盡量減少傳遞上來的地震能量，同時，利用事先布置好的阻尼器將地震能量消耗掉，這就是說，其實隔震也是需要拉著減震的小夥伴一塊工作才行。

圖4：隔震房子

此時，採用了隔震技術的房子不僅擁有減震這位專業服務生的幫忙，還充分利用自身優勢只給地震君開了扇小門，這樣，在大大減少了地震君們串門人數的同時，也有足夠的能力應付進來的各位地震君的接待需求。

為了聊的更清楚些，這裡還是需要用一個公式來說明上面幾個辦法的不同之處：

大致聊完了房子與地震天長地久的幾種辦法，下面來說一說各種辦法的實現途徑。

1.抗震

生活中我們常見的房子大部分都是依靠抗震來做到天長地久的，實現途徑也比較多樣，例如剪力牆的房子、巨型框架的房子、交叉網格的房子等各種實現形式，基本上屬於每天見也得見，不見也得見的那種，不管你知道或者不知道他的抗震方式，它總是粘在你身邊，默默的跟你共度一生，所以抗震這部分就不展開介紹了。

圖5：不同結構體系的抗震建築

無處不在的「有關部門」根據不同地區的情況，預測了各個地區可能上門的地震君的強度，結合房子的自身條件，給出一個最低接待能力以及配(ka?ng)套(zhe?n)設(go?u)施(za?o)的要求，這樣，當遇到大約500年來一次的地震君時，基本可以保證房子mm、地震君和我們仍可以愉快的玩耍，但當地震君光臨的強度進一步加大時，她盡其所能庇佑身處其中的我們能夠繼續生活，自己卻已零落成泥碾作塵，只有香如故。

圖6：「有關部門」給出的接待能力要求（地震反應譜）

當然，「有關部門」指定要求的高低跟房子在地球上的位置有莫大的干係，假如您正好堵在地震君們進出的大門口，那也沒有什麼好辦法，只能高標準的做好各項接待準備工作，隨時等著各位親來找您談人生談理想，例如下面這位親的位置。同時，標準高也導致了接待成本的提高，這就使得身無寸縷的房子mm既沒有辦法長的太高，又沒有辦法打扮的太花哨。

圖7：易受地震君影響的因素

2.減震

減震的實現途徑其實也是比較多的，例如消能減震、調諧質量減震、主動控制減震等，台北101大廈樓上有隻著名的金色鐵球，就屬於看起來比較漂亮的調諧質量減震的一種。但由於減震的實現方式和成本問題，大部分形式的減震技術都屬於王謝堂前燕，很少飛入尋常百姓家，所以，考慮到我們日常生活中大部分的房子都屬於囊中羞澀型，我們這裡主要介紹一種成本相對不高的減震方式——消能減震。

圖8：採用消能減震技術的建築

消能減震主要有跑得快（速度相關型消能器）和走得遠（位移相關型消能器）兩大類。

（1）跑得快型消能器（速度相關型消能器）

顧名思義，其消耗地震能量的能力主要同所安裝位置的相對速度有關係，在其正常工作時，消能器兩端的相對速度越大，其所提供的耗能能力也越大。我們生活中較常見的該類型消能器是自行車減振系統，當然，建築中所使用的跑得快型消能器的塊頭要比自行車大得多。

圖9：跑得快型消能器在自行車與建築的應用

跑得快型消能器主要分為兩種：黏滯消能器和黏彈性消能器，前者主要通過高黏性液體中的活塞運動或平板運動將地震能量轉化為熱能等其他形式；後者則主要通過黏彈性材料的剪切變形耗能。

鑒於後者的材料性能受環境溫度及荷載頻率等因素影響較大，使得黏彈性消能器的設計參數存在一定不確定性，同時，薄層狀的黏彈性材料剪切變形能力有限，不適用於大變形的抗震結構中，所以在國內採用消能減震技術的建築中應用比例不高。

圖10：跑得快型消能器（速度相關型消能器）分類

常見的跑得快型消能器由於其依靠高黏性液體（如硅油）提供阻尼的特性，該類型消能器在工作時並不改變原有體系的結構周期，而是僅僅增加原結構的阻尼。從加速度反應譜和位移反應譜來看，在「有關部門」預測的地震君光臨人數不變（地震影響係數及場地特徵周期不改變）、房子自身接待能力不變（結構剛度不改變）的情況下，增加的結構阻尼有效降低了房子的接待需求，同時，也提高了接待過程中的舒適度（減小結構位移），這也就大大提高了房子天長地久的可能性。

圖11：跑得快型消能器（速度相關型消能器）工作原理

（2）走得遠型消能器（位移相關型消能器）

該類型消能器消耗地震能量的能力主要同設備所安裝位置的相對位移有關係，在其正常工作的情況下，消能器兩端的相對位移越大，則所提供的耗能能力越大。還是舉自行車的例子吧，自行車的剎車即是走得遠型消能器的一種，同樣，建築用的位移相關型消能器也是一個大塊頭。

圖12：走得遠型消能器在自行車與建築的應用

走得遠型消能器的核心構件通常由塑性變形性能好的材料做成，如低屈服點鋼材或鉛等，在地震作用下通過自身優異的塑性滯回性能來耗散地震能量。較為常見的有金屬剪切消能器、金屬彎曲消能器、屈曲約束支撐、鉛消能器及摩擦型消能器等形式。

圖13：走得遠型消能器（位移相關型消能器）分類

走得遠型消能器由於其依靠金屬自身變形能力提供阻尼的特性，設置該類型消能器將在一定程度上增大原有體系的結構剛度，從而縮短了結構周期，而不僅僅是增加原結構的阻尼。從加速度反應譜和位移反應譜來看，在前述地震君光臨人數不變的情況下，房子的接待需求有所降低，但降低的效率則遜於跑得快型消能器，而在提高接待舒適度方面（減小結構位移）的效率則優於跑得快型消能器。

圖14：走得遠型消能器（位移相關型消能器）工作原理

3.隔震

常見隔震的房子實現途徑主要通過疊層橡膠支座、摩擦擺隔震支座及十字滑移支座等形式，弱化隔震層上下房子之間的水平連接剛度，將地表激烈而快速的搖動通過濾波轉化為隔震層以上房子緩慢的大振幅的平動，但考慮到經濟因素，項目實踐中較常選用疊層橡膠支座形式，僅當設計所需的疊層橡膠支座直徑大於800mm時，其他支座形式才可能存在相對的經濟性。

圖15：不同形式的隔震支座

疊層橡膠支座是將多層天然橡膠製成的薄片橡膠板與鋼板交互重疊黏合而成，主要利用了天然橡膠水平剛度低、彈性變形大及鋼板垂直剛度大的特點，使得其既能支撐上部建築物的重量，又能在地震作用時水平彈性變形、地震作用後及時恢復。

圖16：疊層橡膠支座的原理及構造

對於隔震的房子來說，由於其彈性變形大，為了避免其持續的搖擺下去，在設計時必須配合相應的消能措施來耗散地震能量，逐步衰減房子擺動的幅度。因此，隔震的小朋友在愉快的跳舞時，你常常能看到減震的小朋友在賣力的讓它冷靜下來。但從整體上來看，對於隔震的房子，攔在門外的地震君們那是相當的多，進得門來的地震君們那是杠杠的少，效果好的不要不要的。

圖17：南加州大學醫院的隔震經歷

其實，從實際效果上來說，隔震可以歸結為是減震的另一種形式，因為其無法完全隔離地震對房子的影響，也只是在一定程度上減輕或降低地震影響而已，只是同常規的減震相比，隔震在增加結構阻尼的同時，降低了原有體系的結構剛度，拉長了結構周期，因此產生了地震作用大幅降低的效果。

還是從加速度反應譜和位移反應譜來看，房子對於地震君的接待需求大幅降低，降低的幅度遠超前述減震的效果，但好像在接待的舒適度上有些差強人意，而實際上，隔震的房子將原來令人頭暈眼花的搖擺式運動轉變成了緩慢的平動，也是個相當不錯的選擇。

圖18：隔震房子的工作原理

圖19：花式搖擺運動與平動

現在，我們大致了解了房子mm和地震君相擁相守的方法和途徑，但在特定地點這個前提下，不同的房子只有根據自身條件選對了適合的方法和途徑，才能與地震君白首不相離，接下來我們就來侃侃談婚論嫁的那些條件。

1.抗震

房子mm和地震君的結合如果是通過抗震來實現的，那說明mm一定是心直口快的白羊座，坦誠而直接，她會嚴格執行當地「有關部門」的各項要求，本著不折不扣、有一條算一條的精神不斷增強自身抗震能力、提高自身剛度和延性，最終完成所有條條框框，順利牽手地震君，步入婚姻的殿堂。

對於那些「有關部門」要求比較低的地方（低烈度地區）或者中規中矩的房子來說，這絕對是最正確的選擇，但如果房子mm想在風景如畫的台灣省花蓮縣舉辦這場婚禮，又正好是個高個妹子的話，那絕對是一場傾家蕩產、轟轟烈烈式的愛情故事，這個結合的成本那是相當的高。而且，即使mm家裡腰纏萬貫認下了這樣的成本，那也可能會存在諸如房子使用率太低、可改造性太差等等問題。

2.減震

當房子mm和地震君的結合是通過消能減震時，不同的途徑會存在大相徑庭的困擾。

（1）跑得快型消能器（以常見的黏滯消能器為例）

首當其衝就是體檢周期（設計使用年限）不同步的問題，黏滯消能器的體檢周期為30年，其可能漏油的缺點也增加了定期體檢的必要性，而房子的體檢周期一般為50年，對於那些是為公共大眾服務的房子來說，定期體檢是個相對容易解決的問題，但對於私屬房子，不同步的體檢周期則會對採用了黏滯消能器的房子產生一些困擾。

其次，好鋼要用在刀刃上，黏滯消能器最擅長的是降低當地「有關部門」對於房子的最低需求（地震作用），結合時注意用其所長，去其所短。同時，應注意的是，如果給該類型消能器預留的位置不合適（如兩點相對速度較低），則使用效果也會大打折扣。

圖20：位置不同，效率不同

第三點則是黏滯消能器面對不同強度的地震君時，所能夠提供的接待能力（阻尼耗能）也是不同的，對於強度低的地震君接待能力最強，對於強度高的地震君接待能力最弱，不過它的好處是隨時都在工作，即使只是颳風。

（2）走得遠型消能器

該類型消能器主要是靠金屬變形來工作，那麼不管最終能走多遠，金屬畢竟不是橡皮泥，變形總是有限的，從金屬剛剛開始屈服到最終達到變形極限這段路程就是該類型消能器所能提供的最大接待能力，再提高要求那就真的是臣妾做不到了，所以為了保證大震下消能器仍能正常工作，有時候會要求在小震下該類型消能器僅提供剛度即可。

圖21：金屬變形消能示意

另一方面，多次往複的金屬變形會使得消能器存在疲勞破壞的可能性，這類似於我們將一根鐵絲折斷的過程，因此，位移型消能器應盡量避免在風荷載作用下即進入屈服狀態的情況發生。

圖22：金屬疲勞破壞

當然，減震的兩種途徑還存在些共性要求，例如，由於接待能力的高低受房子的變形影響較大，因此對於消能器被安排常住的位置需要有一定的選擇性，這也就反過來影響到了房子的格局和布置方式。

3.隔震

相對而言，隔震是適應能力較強的一種結合方式，從新建房子到歷史房子、從砌體房子到混凝土房子、從辦公房子到商業房子、……，均有可能通過隔震與地震君碰撞出火花來，當然，這種結合只是降低而不是取消了邁入婚姻殿堂的門檻，所以我們還是需要單方面的做些約定。

（a）隔震的結合方式偏好於矮胖型（H/B≤4）的房子mm，這樣，儘管隔震支座連接的水平剛度及豎向抗拉剛度較弱，但搖擺起來的時候，敦實的妹子總是可以站的很穩健，這其實就像在沒有扶手的地鐵里機器貓總是要比大雄站的更穩些。另一方面，由於隔震支座豎向抗壓剛度大，這就使得它並不能起到隔離豎向地震的作用，相反，在某些情況下，反而放大了豎向地震的效果。此外，風的影響也需要考慮的因素之一，需有必要的措施防止發生隨風起舞的情況。

圖23：矮胖型mm的誘惑

圖24：豎向地震對隔震房子的影響

（b）婚房不宜修建在太軟的土層上，軟土將放大長周期房子的地震作用，而隔震房子卻正是拉長了房子的周期，所以當地震君光臨時，軟土地基反而不利於提升房子的接待能力。

圖25：軟土地基的不利影響

（c）隔震房子將搖擺運動轉化為整體平動後會帶來一個很現實的問題，那就是隔震層上部房子的整體變形將加大，而隔震層一般均設置在建築首層處，這使得隔震層上下的變形差較大，隨之而來的則是各種限制條件，管線是需要軟連接的、電梯和樓梯是需要上下脫開的、隔震支座是需要防火的、周邊要預留變形空間的等等，相對而言，隔震房子的設計要求全面提高，對應的成本也有所增加，當然，在高烈度地區應用時，有可能土建成本的減量會抵消隔震設計對應的成本增量。

圖26：隔震房子的各種條件

當我們宅的、逛的、上班的房子不得不在一個特定的地點與地震君做一個執子之手、與子偕老的約定時，只要是一個正確的選擇，相信我們一定能看到一個海枯石爛、天長地久的愛情故事。

1.參考文獻：

[1] 潘鵬、葉列平、錢稼茹、鄧開來、何瑤，建築結構消能減震設計與案例。北京：清華大學出版社，2014年。

[2] 日本免震構造協會，王晶，免震建築。北京：中國電力出版社，2010年。

[3] GB 50011-2010 建築抗震設計規範。北京：中國建築工業出版社，2010年。

[4] 北京羿射旭科技有限公司，遠洋地產某項目消能減震方案報告。

[5] 上海動研建築科技發展有限公司，遠洋地產某項目消能減震方案報告。

由於個人資料所限，除以上參考文獻外，文中大部分圖片來源於眾多專家彙報文稿及網路等，恕無法一一列出，在此一併謝過。

2.附錄：

——————遠洋設計匯——————

推薦閱讀：